《Acta Materialia》：超薄3D打印氧化铝晶格结构的烧结行为

来源：材料科学与工程

陶瓷立体光刻或大桶光聚合是一种允许制造具有高度复杂形状的陶瓷物体的工艺。晶格结构特别与先进的优化拓扑工具一起使用，用于设计具有优化机械阻力的可打印轻质形状。如果这些晶格结构的机械阻力在聚合状态下得到很好的控制，它们可能会在烧结阶段的高温下严重变形。然后确定晶格结构在烧结过程中的变形敏感性，以在概念阶段考虑这一方面。晶格烧结的有限元 (FEM) 模拟是一种有趣的解决方案，可以从数值上预测晶格的变形敏感性并确定它们的最小壁厚。这需要确定印刷绿色样品的烧结行为，并考虑烧结各向异性，这涉及层间较弱的电阻。

来自法国诺曼底大学的学者首先通过多轴膨胀仪确定烧结行为，对其进行分析建模，然后通过 FEM 方法进行模拟。之后，进行了不同壁厚晶格的烧结模拟。这允许测试模拟工具对每个格子壁厚的可预测性，并比较它们在高温下的变形敏感性。相关文章以“Sintering behavior of ultra-thin 3D printed alumina lattice structures”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118865

图1. 印刷晶格结构的设计（A）杆直径为 3 至 0.5 毫米的起始晶胞，（B）具有全杆直径的等效单元和（C）打印机高原的视图复制的格子结构；下面 (D) 介绍了模型识别、验证和参数化晶格模拟的文章主要步骤。

图2. 3D 打印过程中的结构孔隙度方案 (A)，在平行于层的剪切诱导情况下的弱变形行为的图示 (B)。

图3.脱脂陶瓷膏在 600°C 空气中的 SEM 图像和粒径分布直方图。

图4. 膨胀测量配置 (A)、打印样品表面的 SEM (B)、曲线的烧结膨胀测量 (C)。

图5. 3D 打印氧化铝样品的烧结微观结构

图6. Z 和 R 方向的实验应变率 (A)，Yz 和 Yr 的线性回归，用于提取烧结活化能 (B)，粘度指数前参数与孔隙率的确定 (C)。

图7. 实验膨胀数据的解析烧结建模。

图8. 膨胀实验的 FEM 模拟以及解析、FEM 和实验数据的比较：(A) 相对密度，Z 位移的 3D 视图在插入中报告，(B) 烧结收缩，位置插入物中报告了虚拟测量探头。

图9. 杆直径为 3 mm (A) 和 0.5 mm (B) 的格子结构的 FEM 模拟，对于这两个模拟，放置了一个虚拟位移探针（红点）以记录 Z 和 R 线性收缩(C)，还绘制了 5 mm立方体膨胀收缩的实验值，以估计不需要的烧结变形水平。

图10. 脱脂晶格结构的照片 (A)，在 1600 ℃ 下烧结 3 小时后的照片(B)，FEM 模拟烧结结束时的相应晶格 (C)，绘制最大形状变形和 von Mises 应力发展(D)。

薄晶格结构在具有高机械/功能性能和多尺度结构的仿生轻质部件中用作支撑材料或填充材料。这些结构是使用 3D 打印机切片软件和先进的拓扑优化工具开发的，可改进厚部件的设计。然而，这些数值工具不包括晶格在烧结过程中的高温较弱电阻。在这项工作中，第一步是通过 FEM 模拟来预测印刷薄结构对烧结变形的抵抗力。提出了一种实验方案来提取立体光刻印刷样品的高温烧结行为，并在快速计算分析模型中实施这些数据，然后在 FEM 模拟工具中预测晶格烧结行为。特别是，烧结行为必须包括印刷陶瓷的烧结各向异性，其中在构建方向上观察到较高的收缩率。这项研究表明，可以通过陶瓷立体光刻技术生产非常薄、低密度和复杂的氧化铝晶格。所研究的晶格包含弱支撑结构和小至 0.5 mm 的杆直径结构，填充密度低至 1.6 vol%。这些极具挑战性的晶格结构将 3D 打印机和耐烧结测试都探索到了极限。所有晶格结构均已成功打印，并且在水平悬臂区域仅观察到少量分层。实验晶格烧结测试显示了紧接在经历严重烧结变形的最弱晶格 (1.6vol%) 之前的抗变形阈值。FEM 模拟成功地预测了实验观察到的严重变形区域。

这项工作提供了许多积极的前景：(1) 近期前景是可以使用 FEM 工具从拓扑优化方法中使用的室温特性预测晶格高温应力抵抗阈值。(2) 仍在拓扑优化中，FEM 模型可用于识别行为类似于晶格但显着降低计算成本的等效连续体材料特性。(3) 本文建模方法可用于模拟具有内部或外部晶格结构的仿生 3D 打印物体的烧结行为。